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一、泵站设计中管路布置的原则是什么?

我这里有一个一般原则文档，发给你看看：

泵吸水管和出水管的布置与设计

(1)每台水泵宜设置单独的吸水管直接从吸水井或清水池中吸水。如几台水泵采用合并吸水管时，应使合并部分处于自灌状态，同时吸水管数目不得少于两条，在联通管上应装阀门，当一条吸水管发生事故时，其余吸水管应仍能满足泵房设计水量的要求。

(2)吸水管路应尽可能短、减少配件，一般采用钢管或铸铁管，并应注意避免接口漏气。

(3)吸水管应有沿水流方向连续上升的坡度i，一般大于等于0．005，并应防止由于工允许误差和泵房管道的不均匀沉降而引起吸水管的倒坡，必要时采用较大的上升坡度。为了避免产生气囊，应使沿吸水管线的最高点在水泵吸入El的顶端。吸水管的断面一般应大于水泵吸入口的断面，吸水管路上的变径管可采用偏心渐缩管(即偏心大小头)，保持渐缩管的上边水平。

(4)如水泵位于最高检修水位以上，吸水管可不装阀门；反之吸水管上应安装阀门，以便水泵检修。阀门一般采用手动。

(5)泵站内吸水管一般没有联络管，如果因为某种原因，必须减少水泵吸水管的条数，而设置联络管时，则在联络管上应设置必要数量的闸阀，以保证泵站的正常工作。但是这种情况应尽量避免，因为，在水泵为吸人式工作时，管路上设置的闸阀越多，出事的可能性也越大。所以它只适用于吸水管路很长而又不能设吸水井的情况。

一般情况下，为了保证安全供水，输水干管通常设置两条(在给水系统中有较大容积的高地水池时，也可只设一条)，而泵站内水泵台数常在2～3台以上。为此，就必须考虑到当一条输水干管发生故障需要修复或工作水泵发生故障改用备用水泵送水时均能将水送往用户。

(6)吸水管的设计流速建议采用以下数值：

①管径小于250mm时，为1.O～1.2m／s；

②管径在250～1000mm时，为1.2～1.6m／s；

③管径大于1000mm时，为1.5～2.Om／s。

在吸水管路不长且地形吸水高度不很大时，可采用比上述数值大些的流速，如1.6～2.0m／s；例如水泵为自灌式工作时，则吸水管中流速可适当放大。

(7)为了避免水泵吸入空气，吸水管进口在最低水位下的淹没深度五应不小于0.5～1.0m，如图6—30所示。若淹没深度不能满足要求时，则应在管子末端装置水平隔板。

(8)吸水管的直径为d，为了避免水泵吸入井底沉渣，并使水泵工作时有良好的水力条件，应遵循以下规定。

①吸水管上喇叭口的直径一般可采用D=(1.3～1.5)d；

②吸水喇叭口边缘与井壁的净距不小于(0.75～1.0)D；

③在同一井中安装有几根吸水管时，吸水喇叭口之间的距离不小于(1.5～2.0)D。

2．压水管的布置

送水泵站的安全要求较高，在布置压水管路时，必须满足：

(1)能使任何一台水泵及闸阀停用检修而不影响其他水泵的工作。

(2)每台水泵能输水至任何一条输水管。

压水管的布置一般应符合下列要求。

(1)出水管上应设闸阀、止回阀和压力表，并宜设置防水锤装置，防水锤装置可选用气囊式水锤消除器或缓闭与速闭止回阀等。当直径D大于等于300mm时，大都采用电动或液压传动阀门。止回阀通常装于水泵与压水闸阀之间。如果水锤现象不严重，且为地面式泵站时，可将止回阀放在压水闸阀的后面，或者将止回阀装设于泵站外特设的切换井中。

(2)出水管一般采用钢管、焊接接口，但为便于安装和检修，在适当地点可设法兰接口。

(3)为了安装上方便和避免管路上的应力(如由于自重、受温度变化或水锤作用所产生的应力)传至水泵，一般应在吸水管路和压水管路上需设置伸缩节或可曲挠的橡胶

接头。

(4)为了承受管路中内压力所造成的推力，在一定的部位上(各弯头处)应设置专门的支墩或拉杆。

(5)压水管的设计流速建议采用以下数值：

①管径小于250mm时，为1.5～2.Om／s；

②管径在250～1000mm时，为2.0～2.5m／s；

③管径大于1000mm时，为2.0～3.0m／s。

水泵出水联络管和出水总管一般宜在泵房内布置，联络管上闸阀布置应满足任何一台水泵和闸阀检修仍能保证泵房能正常出水。

送水泵站通常在站外输水管路上设一检修闸阀，或每台水泵均加设一检修闸阀，即每台泵出口设有两个闸阀。这种闸阀经常是开启状态的，只有当修理水泵或水管上的闸阀时才关闭。这样布置，可大大地减少压水总联络管上的大闸阀个数，因而是较安全又经济的办法。

检修闸阀和联络管路上的闸阀，因使用机会很少，不易损坏，一般不再考虑修理时的备用问题。．

压水管路及管路上闸阀布置方式的不同，对泵站的节能效果与供水安全性均有紧密联系。如图6—31所示的三台泵(一用一备)、两条输水管的两种不同方式布置中可节省两个90度弯头的配件，并且泵l、’泵Ⅱ作为经常工作泵，水头损失甚小，与图6—31(b)布置相比较具有明显的节能效果。

上述这种情况，如果必须保证有两台泵向一条输水管送水时，则应在联络母管上要增设两个双闸阀，如图6-32(b)所示。为了缩小泵房的跨度，可将闸阀1装在联络母管的延长线E。

四台水泵向两条总压水管供水的布置图，其中一台为备用泵。这时闸阀之一要修理时，泵站还有两台水泵及一条压水总管可供水，水量下降不多。假设只装一个闸阀，则当修理它时，整个泵站将停止工作。

较大直径的转换阀门、止回阀及横跨管等宜设在泵房外的阀门室(井)内。对于较深的地下式泵房，为避免止回阀等裂管事故和减小泵房布置面积，将联络管置于墙外的管廊中或将联络管设在站外，而把联络管上的闸阀置于闸阀井中，如图6—34所示。

3．吸水管路和压水管路的敷设

管路及其附件的布置和敷设应当保证使用和修理上的便利。一般要求如下。

(1)敷设互相平行的管路，其净距不应小于0．8m，以便维修人员能无阻地拆装接头和配件．

(2)为了承受管路中压力所造成的推力，应在必要的地方(如弯头、三通处)装置支墩、拉杆等，不允许让这些推力传给水泵。

(3)尽可能将进、出水阀门分别布置在一条轴线上。

(4)管道穿越地下隔膜泵房钢筋混凝土墙壁及水池池壁时，应设置穿墙套管或墙管。墙管为铸铁特殊配件，安装时管道直接与墙管连接。穿墙套管为铸铁特殊配件，亦可采用钢管制作。管道安装后，管道与套管间用止水材料封填。

(5)埋深较大的地下式泵房，进、出水管道一般沿地面敷设，地面式泵房或埋深较浅的泵房，宜采用管槽内敷设管道。管槽必须具有坡度、自流排出积水；或排入泵房内集水坑，由排水泵排出。

当泵房的进、出水管为直线布置时，拆装水泵和阀门较为困难，常设置具有伸缩或柔性的特殊配件、伸缩器，以方便拆装，需要时还可补偿蝶阀开启时阀瓣伸出长度。

当水管敷设在泵站地板上时，应修建跨过管道并能走近机组和闸阀的跨桥或通行平台，以便操作与通行。

泵站内管道一般不宜架空安装。但地下深度较大的泵房，为了与室外管路连接，有时需要架空管道。管道架空安装不应阻碍通行及架设在电气设备的上方，以免管道漏水或凝露时影响下面电气设备的安全工作。管道可采用悬挂或沿墙壁的支柱安装，管底距地面不应小于2.0m。

当管道敷设在管槽(又称管沟)中，管槽上应有活动盖板，一般采用钢板或铸铁板，也可用预制钢筋混凝土板。管槽的宽度和深度应便于人员下到管槽进行安装检修。一般，管顶至盖板底的距离应根据水管埋设深度决定，并不小于l50mm。沟壁与水管外壁的距离应不小于300mm。管槽的宽度和深度还需按照管道上阀门的设置情况，而适当放大。沟底应有向集水坑或排水口倾斜的坡度。

地下式水泵站所在地地下水位较高时，不宜采用能通行的管沟或地下室，否则会大大增加泵站的造价。

二、千分之一管道流速是多少?

市政排水一般的坡度在千分之一到千分之三之间。横向陡坡不得陡于1:6。

具体要通过水力计算。小于千分之一，排水坡度太小流速太低，如果坡度太大，坡降比较厉害。

千分之三的坡度，一公里埋深就要增加3米，从最浅处埋深1米计算，一公里后埋深就是4米了，两公里后就是埋深7米。

千分之三的坡度埋深就增加的很厉害。如果管道埋深很深就会增加施工困难，另外还造成无法接入附近的河道和其他管道，在一定距离必须设置泵站提升水位后再行排放。

宽度大于3m且表面未采用铺面封闭的中央分隔带排水时，将降落在分隔带上的表面水汇集在分隔带中央低洼处，并通过纵坡排流到泄水口或横穿路界的桥涵水道中。

泵站“S”型进、出水流道优化设计研究

摘要：

为提高王道泵站泵装置的效率和运行稳定性，本文通过CFD软件对不同流道设计方案的流态进行模拟计算，根据模拟计算结果评价、比选流道方案。模拟计算结果较好地揭示了不同方案泵装置的外特性及内流性能，通过对比可以发现：经优化后的泵装置进、出水流道无漩涡、脱流等不良流态；水泵叶轮进口断面流速均匀度经优化后达96.45%，流速加权平均角达86.87°;泵装置水头损失较小且仅为0.419m，装置水力效率高达78.1%。经优化后的泵装置效率高、运行稳定性好，各项水力性能指标均达到同类型国内泵站的先进水平，优化过程可以为同类型泵站的设计选型提供参考和指导。

关键词：

泵站;进出水流道;数值模拟;优化设计;

作者简介：

孙翀(1964—)，男，高级工程师，学士，主要研究方向为泵站工程管理。

基金：

工程建设资金山东省重点水利工程(鲁政字[2019]189号);

引用：

孙翀，李四海，韩鹏．泵站“S”型进、出水流道优化设计研究［J］.水利水电技术(中英文)，2022，53(3):84-90.

SUNChong，LISihai，HANPeng．Optimaldesignof“S”typeinletandoutletflowchannelofpumpingstation［J］.WaterＲesourcesandHydropowerEngineering，2022，53(3):84-90.

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0引言平面“S”型卧式轴流泵装置具有结构简单，安装维护简便，运行可靠等优点，其在低扬程泵站中被广泛使用。近年来，国内不少学者对平面“S”型卧式轴流泵装置流态和性能进行了大量研究。郑源等通过CFD模拟求取了双向轴伸泵S型弯管中心线圆弧半径比的最优值，并进行了水泵模型验证。张松等以黄金坝泵站为研究对象，研究S形弯管和流道装置效率的关系，以优化设计、提高泵装置能量性能。吴晨晖等通过数值模拟计算和模型试验研究表明叶轮与导叶相对位置增大时平面S形卧式轴流泵装置效率呈现先上升后下降的趋势，并通过计算确定了叶轮与导叶间的最佳距离。刘超等对泵装置内流动特性进行研究并重点对S形弯管进行优化设计。杨帆等对不通过工况下导叶体的静压值、回收环量比等进行数值模拟并计算性能曲线，经模型验证确认模拟可靠。

以上这些研究都为平面“S”型卧式轴流泵装置的设计提供了大量的经验，泵装置的性能和效率有了显著提高。但泵装置流道特别是流道组合对泵装置性能和效率的影响研究较少，根据竖井贯流泵装置等的研究，流道对泵装置性能有着显著影响。本文基于整体泵装置CFD三维流动数值模拟技术，对王道泵站平面“S”型卧式轴流泵进出水流道进行优化设计，以提高装置性能和效率，为同类泵站设计、建设和运行管理提供科学依据，充分发挥投资效益，并为同类型泵站或泵装置设计优化提供参考。

1水泵装置优化方案1.1研究对象

王道泵站为引黄济青(胶东调水)抗旱应急调水临时泵站改建泵站，建成后为引黄济青梯级泵站中的第2梯级站，年运行时间243d。泵站设计流量36m3/s，相应净扬程2.35m，泵站加大流量39.6m3/s，相应净扬程2.70m。根据王道泵站设计要求，对比以往的相似泵站模型试验参数，该泵站选用ZM25水力模型(天津试验台测试编号GL-2008-03)。泵装置型式为平面“S”型卧式轴流泵装置，水泵叶轮直径1750mm，转速206r/min。水泵装置包括进水流道、叶轮、导叶、弯管及出水流道五个部分，三维模型如图1所示。

图1平面“S”型卧式轴流泵装置几何模型①-进水流道；②-叶轮导叶；③-弯管；④-出水流道

1.2进、出水流道方案设计

进水流道控制尺寸如图2所示。根据方变圆段长度L的不同，设计了3套进水流道方案(L分别为8095mm、7000mm及6000mm)，记为进水流道方案1、方案2、方案3。

图2进水流道控制断面(单位:mm)

出水流道控制尺寸如图3所示，在低扬程泵站中，出水流道的水力损失对整个泵装置效率具有重要的影响。影响直管式出水流道水力性能的主要参数为扩散角，《泵站设计规范》(GB50265—2010)中关于泵站直管式出水流道当量扩散角宜取8°～12°，扩散角过大容易引起水流脱流。扩散角对于本装置可反映为扩散段长度Lz，共设计了3种出水流道方案(LZ分别为6890mm、8200mm及9210mm)，记为出水流道方案a、方案b、方案c。

图3出水流道控制段面(单位：mm)

2数值计算方法2.1湍流模型及边界条件

泵叶轮内部流动是三维非定常紊流流动，但是在水泵稳定运行(转速恒定)后可认为叶轮相对运行是定常流动。基于ANSYSCFX软件进行数值模拟，为了精确预测逆压力梯度条件下流动分离，湍流模型采用基于SST模型的k-ω方程，充分考虑湍流剪切应力传输。同时为了更好地模拟泵装置内部流动，在进水流道前及出水流道出口加一段延伸段，进口断面采用总压进口条件，总压设置为1atm，出口断面采用质量流量出流。整体泵装置数模中采用“Stage”交界面处理叶轮与进水流道、导叶体之间动静耦合流动的参数传递，其他交界面采用“None”形式。

2.2网格划分

采用ANSYSICEM软件对进水流道、弯管及出水流道进行网格剖分，叶轮和导叶则通过Turbogrid进行划分，最终在CFX软件中导入各部件并进行装配，最终泵装置网格如图4所示(以进水流道方案1和出水流道方案a为例)。

图4平面“S”型卧式轴流泵装置网格划分

最终生成的网格结点与网格数如表1所列，不同方案网格数大致相同，以尽可能减小网格对不同方案结果的影响。经检查网格质量良好，符合数值模拟要求。

2.3CFD模拟计算方案设计

针对原型泵(叶片安放角0°)在设计流量9m3/s，对“S”型卧式轴流泵整体装置进行三维湍流数值计算。首先以出水流道方案c为基础，更换不同进水流道，计算了3种进水流道方案，比较优劣。再以进水流道方案3为基础，更换出水流道，共进行5次CFD数值模拟。不同方案的进水流道及出水流道的匹配形式如表2所列。

3数值计算结果分析3.1各部件流动损失分析

表3为设计流量下，S型卧式轴流泵装置进水流道、导叶、弯管和出水流道的水力损失。由表3可知，泵装置方案三的总损失最小，为0.419m。对比泵装置方案一、方案二和方案三的进水流道损失相差较小，其中进水流道方案3和方案2的水力损失小于方案1。对比泵装置方案三、方案四和方案五，出水流道方案c的水力损失为0.131m，明显小于其它两个方案。

3.2进水流道内部流动分析

进水流道主要是将进水池中的水光滑平顺引流至水泵入口，引流的优劣评价标准为：(1)水泵进口的流速分布均匀性；(2)水泵进口速度矢量与水泵进口断面的垂直性。经模拟计算，设计流量下进水流道出口的流速分布均匀度及加权平均角如表4所列。

从计算结果可看出：设计工况下，三个方案的进水流道的速度分布均匀度在96%左右，流速加权平均角达86°，相差较小，各方案的水泵进口速度分布较为均匀，速度矢量已接近垂直于水泵进口断面。图5为进水流道内部三维流线图，由图可知三个方案内部流线平稳，流线与壁面贴合，无明显脱流，无漩涡等不良流态。图6为进水流道出口压力分布图，可见压力分布基本呈现左右对称趋势，三个方案的压力分布较为均匀。综合考虑进水流道水力损失及内部流动，方案3水力损失较小，内部流态较好，且有利于现场施工，故选定进水流道方案3为最优方案。

图5进水流道内部三维流线及分布云图

图6进水流道出口压力分布云图

3.3出水流道内部流动分析

在选定的最优进水流道方案3的基础上，更换出水流道，进行CFD计算。图7为出水流道内部三维流线图，由图可知，水流经弯管进入出水流道，在出水流道内侧出现一定的漩涡，其中方案c的漩涡分布相对较小，与出水流道型线更为贴合，表明出水流道方案c的当量扩散角选取更为合理。图8为出水流道中间剖面压力分布云图，由图可知，三个方案静压分布大致相同，其中出水流道方案c的压力分布更为均匀。综合考虑出水流道方案c的水力损失最小，内部流场更为稳定，故出水流道方案c必选为最优方案。

图7出水流道内部流线

图8出水流道中间剖面压力分布云

3.4平面“S”型卧式轴流泵装置性能预测

经过全流场的数值模拟计算，取进水流道进口到出水流道出口的性能，设计流量9m3/s下，不同方案的外特性如表5所列。由表5可知，设计流量下，五个平面“S”型卧式轴流泵装置方案扬程均在2.5m以上，效率均在75%以上，其中泵装置方案三的性能最佳，扬程为2.58m，效率约78%。

综合以上分析，选取泵装置方案三为最优方案，基于ZM25模型进行多工况计算，图9为流量为7m3/s、9m3/s及11m3/s下内部泵装置内部三维流线图。由图可知，由于导叶出口剩余环量的影响不同工况下平面“S”型卧式轴泵装置出水流道内均存在一定的漩涡，水流呈螺旋性流动，这种螺旋型流动在流向出口的过程中逐步发展，但总体而言，流动相对稳定，在泵站机组最高扬程及最低扬程范围内，不会影响机组的安全稳定运行。

图9不同工况下泵装置内部三维流线

图10为泵装置方案3外特性图，由图可知，ZM25模型在设计流量9m3/s，转速206.3r/min时，净扬程为2.55m，效率为77.18%，考虑闸门槽损失0.1m，略小于设计扬程2.65m。为此，可将叶片角度向正角度微调或适当增加n、D值。ZM25模型在直径1750mm，转速210r/min，设计流量9m3/s转速下的扬程约为2.7m，效率约为77.21%，能够满足泵站运行要求。

图10平面“S”型卧式轴泵装置外特性(D=1750mm，n=206.3r/min)

4结论本文结合引黄济青工程王道泵站，拟定了5种不同平面“S”型卧式轴流泵进、出水流道的方案，对泵装置进行数值模拟计算，并对泵装置的内、外特性进行分析，得到以下结论：

(1)基于轴伸轴流泵装置进水流道方变圆段长度不同，共设计了三种进水流道方案。其中进水流道方案3综合性能更优，方案3水力损失较小，内部流动较好，流道出口流速均匀度在96%左右，流速加权平均角在86°左右，且有利于现场施工。

(2)基于轴伸轴流泵装置出水流道扩散角不同，共设计了三种出水流道方案。其中出水流道方案c水力性能更优，内部流动更为稳定。

(3)对轴伸轴流泵装置方案三计算了不同工况下的泵装置性能，预测了外特性曲线。ZM25模型在直径1750mm，转速210r/min，设计流量9m3/s转速下的扬程约为2.7m，效率约为77.21%。

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水利水电技术（中英文）

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